Digitaltechnik

Die Digitaltechnik beschäftigt sich mit Signalen, den Digitalsignalen, die eine bestimmte Anzahl von diskreten Zuständen annehmen können. Die Anzahl an Zuständen kann im Prinzip eine beliebige, endliche Menge umfassen. Die in der Praxis bedeutsamste Form stellt die binäre Digitaltechnik dar, die nur zwei diskrete Signalzustände umfasst. Diese werden üblicherweise als logisch Null (0) und als logisch Eins (1) bezeichnet.

Nichtbinäre digitale Schaltungen, dabei liegen mehr als zwei Wertzuständen vor, stellen beispielsweise MLC-Speicherzellen dar, wo pro MLC-Speicherzelle mehr als ein Bit an Information dargestellt und gespeichert werden kann. Außerdem findet die nichtbinäre Digitaltechnik im Rahmen der digitalen Signalverarbeitung wie bei digitalen Modulationsverfahren Anwendung.

Elektronische Bauelemente der Digitaltechnik sind beispielsweise Logikgatter, Mikroprozessoren und Datenspeicher. In der Analogtechnik kann ein Analogsignal beliebige viele Wertzustände annehmen, der Übergang findet in sogenannten Mixed-Signal-Schaltkreisen, wie beispielsweise Analog-Digital-Umsetzern bzw. Digital-Analog-Umsetzern, statt.

Allgemeines

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Digitale Schaltung eines Prozessors

Die binäre Digitaltechnik, im Folgenden erfolgt eine Einschränkung auf diese, bedient sich des Dualsystems mit zwei möglichen Signalzuständen. Diese beiden Werte sind je nach Zusammenhang verschiedenartig bezeichnet. Beispiele für die Bezeichnung sind logisch Null (0), L (englisch Low), oder „Falsch“. Das zweite Symbol wird üblicherweise als logisch Eins (1), H (englisch High), oder „Wahr“ bezeichnet. Wenn ein High-Pegel mit 1 und ein Low-Pegel mit 0 dargestellt wird, spricht man von positiver Logik, bei umgekehrtem Sachverhalt von negativer Logik.

Digitale Schaltungen bestehen hauptsächlich aus Logikgattern, wie AND, NAND, OR, NOR, NOT, XOR, XNOR und anderen, mit denen binäre Informationen miteinander verknüpft werden, z. B. im Rahmen von Zählern oder Flipflops. Komplexere Anwendungen sind Prozessoren. Theoretisch reicht eine einzige Art (NAND oder NOR) von Gattern, dann als „Basis“ bezeichnet, um alle anderen logischen Funktionen zusammenzusetzen. Bei der Digitaltechnik wird meist unter Verwendung der Schaltalgebra das Dualsystem (entsprechend obiger Ja/Nein-Unterscheidung) zugrunde gelegt. So lässt sich für jedes Logikelement eine Schaltfunktion erstellen, die ihre Funktionsweise beschreibt. In der Praxis verwendet man meist nur NAND-Gatter, mit denen man die Funktionen der anderen Gatter nachbilden kann.

Digitale Schaltungen können zusätzlich zu logischen Funktionen auch zeitabhängige Bestandteile enthalten und ferner takt- oder zustandsgesteuert (synchron/asynchron) arbeiten. Enthält eine digitale Schaltung lediglich Logikelemente ohne Rückkopplung von Ausgängen auf Eingänge, so spricht man von einem Schaltnetz. Werden zusätzlich Speicher verwendet, oder mindestens ein Ausgang auf einen Eingang zurückgekoppelt, so handelt es sich um ein Schaltwerk oder auch einen Automaten. Ein Mikrocontroller oder Prozessor besteht hauptsächlich aus diesen Logikelementen und wird über einen Datenbus mit Speichern und anderen digitalen Baugruppen erweitert. Eine zeitlich gestaffelte Ausführung von Logikverknüpfungen ist möglich. Diese können festverdrahtet oder programmiert sein.

Eigenschaften

Digitale Signale unterliegen keiner Fehlerfortpflanzung, solange die auftretenden Fehler unterhalb einer gewissen Grenze bleiben. Diese Eigenschaft erlaubt den effizienten Einsatz von Fehlererkennungs- und Fehlerkorrekturmethoden im Rahmen der Digitaltechnik und spielt in diesem Bereich in der Rahmen der digitalen Nachrichtentechnik eine Rolle. Es lassen sich aufgrund dieser Eigenschaft komplexe Systeme erstellen, da dabei systematische Fehler vermieden werden können.

Weitere Vorteile der digitalen Signalverarbeitung gegenüber der analogen Technik liegen, neben den geringeren Kosten der Bauteile aufgrund hoher Integrationsdichte und vereinfachter Entwicklung, vor allem in der höheren Flexibilität. Mit Hilfe spezieller Signalprozessoren oder Computer können Schaltungen in Software realisiert werden. Dadurch lassen sich Funktionen leichter an veränderte Anforderungen anpassen. Außerdem sind komplexe Algorithmen einfach anwendbar, die analog nur mit hohem Aufwand oder gar nicht realisierbar wären.

In der Digitaltechnik können spezielle Entwicklerwerkzeuge im Rahmen des Computer-aided engineering (CAE) und Beschreibungssprachen wie Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) oder Verilog bei der schnellen Entwicklung neuer Anwendungen und Schaltungen eingesetzt werden.

Die Anzahl der benötigten Schaltungsbestandteile ist in der Digitaltechnik um ein Vielfaches höher als bei analogen Systemen. Das wird jedoch durch eine hohe Integrationsdichte auf entsprechenden Chips kompensiert. Außerdem tritt bei der Umwandlung von analogen Signalen in digitale Signale ein Quantisierungsfehler auf.

Literatur

• Klaus Beuth, Olaf Beuth: Digitaltechnik. 12. Auflage. Vogel Verlag, Würzburg 2003, ISBN 3-8023-1958-3.
• Armin Biere, Daniel Kroening, Georg Weissenbacher, Christoph M. Wintersteiger: Digitaltechnik - eine praxisnahe Einführung. Springer, Berlin / Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-77728-1.
• Lorenz Borucki: Digitaltechnik. 5. Auflage. Teubner, Stuttgart 2000, ISBN 3-519-46415-2.
• Hans Martin Lipp, Jürgen Becker: Grundlagen der Digitaltechnik. 6. Auflage. Oldenburg, München 2007, ISBN 3-4865-8274-7.
• Manfred Seifart, Helmut Beikirch: Digitale Schaltungen. 5. Auflage. Verlag Technik, Berlin 1998, ISBN 3-341-01198-6.

Weblinks

 Wikibooks: Digitale Schaltungstechnik – Lern- und Lehrmaterialien

• Grundlagen der Digitaltechnik
• Digitaltechnik von A bis Z
• Technische Informatik: Grundlagen